熱力学は、系のエネルギーと仕事を扱う物理学の一分野である。
気体には、気体の圧力 p、温度 T、質量、気体を含む体積 V など、私たちの感覚で観察できるさまざまな特性があります。慎重な科学的観察により、これらの変数が互いに関連しており、これらの特性の値が気体の状態を決定していることがわかりました。 気体によって行われる仕事と気体に伝わる熱は、気体の開始時と終了時の状態と、状態を変化させるために使用したプロセスに依存する。
各プロセスで状態が変化するが、最終的に気体は元の状態に戻るという一連のプロセスを行うことが可能である。 このような一連の過程はサイクルと呼ばれ、エンジンを理解するための基礎となるものである。 カルノーサイクルは、熱力学の基本的なサイクルのひとつで、このページで紹介しています。 ここではap-Vダイアグラムを用いてカルノーサイクルの様々な過程をプロットします。 このサイクルは、図中の黄色で示された気体が、青色で示された円筒の中に閉じ込められている状態から始まります。 円筒の体積は赤いピストンが動くことで変化し、圧力はピストンに重りを置くことで変化します。 熱源は2つあり、赤は公称300度、紫は200度である。
- 気体に対して行われる最初の処理は等温膨張である。 300度の熱源をシリンダーに接触させ、重量を取り除くことでガス中の圧力が下がる。 温度は一定で、体積は増加する。 状態1から状態2への過程で、熱源から気体へ熱が移動し、温度が維持される。 ここでは、Q1による気体への熱の移動に注目します。
- 気体に対して行われる2つ目の過程は断熱膨張である。 断熱プロセスでは、熱は気体に伝達されない。 重さが取り除かれ、気体中の圧力が下がる。 気体が体積を満たすように膨張するため、温度は下がり、体積は増加します。 状態2から状態3への過程では、熱の移動はありません。
- ガスに対して行われる第3の工程は、等温圧縮である。 200℃の熱源をシリンダーに接触させ、重りを加えて気体の圧力を上昇させる。 温度は一定だが、体積は減少する。 状態3から状態4への過程で、気体から熱源に熱が移動し、温度が維持される。 ここでは、気体から離れたQ2による熱の移動に注目する。
- 気体に対して行われる第4の過程は断熱圧縮である。 重さが加わって気体中の圧力が上昇する。 気体が圧縮されると温度が上昇し、体積が減少する。 状態4から状態1への過程では、熱の移動はない。
第4工程の終了時には、気体の状態は元の状態に戻っており、このサイクルを何度でも繰り返すことができる。 熱力学の第一法則から、発生した仕事量は工程中に移動した正味の熱量に等しい。
W = Q1 – Q2
カルノーサイクルは、工程中に気体に移動した熱を有用な仕事に変換しエンジンとして機能したことになる。 同じようなものとして、ブレイトンサイクルはガスタービン、オットーサイクルは内燃機関の仕組みを説明しています。